静态磁铁发电机[发明专利]

[12]发明专利申请公开说明书

[21]申请号98103804.2

[51]Int.CI6

H02N 11/00

[43]公开日1998年8月19日[22]申请日98.2.9

[30]优先权

[32]97.02.10 [33]JP [31]257/97[71]申请人浅冈敬一郎

地址日本神奈川[72]发明人浅冈敬一郎

[11]公开号CN 1190820A

[74]专利代理机构中国国际贸易促进委员会专利商标

事务所

代理人王茂华

权利要求书 2 页 说明书 10 页 附图 10 页

[]发明名称

静态磁铁发电机

[57]摘要

一种静态磁铁发电机,包括:至少一个永久磁铁;一个第一铁心,它耦合所述永久磁铁的不同磁极,形成一个闭磁路;一个第二铁心,它通过顺磁性材料耦合于所述闭磁路,以形成一个开磁路;一个磁化线圈;和一个感应线圈,通过把一个交流电压加到所述磁化线圈上,来改变所述闭磁路的磁力线方向;并且通过由于所述闭磁路磁力线方向的改变而感应的所述开磁路磁力线的改变,来在所述感应线圈中用电磁感应产生电动势。

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权 利 要 求 书

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1.一种静态磁铁发电机，由下述部件组成： 至少一个永久磁铁；

一个第一铁心，由一种软磁性材料构成，它耦合所述永久磁铁的不同磁极，以形成一个闭磁路；

一个第二铁心，由一种软磁性材料构成，它通过一种顺磁性材料耦合于所述的闭磁路，以形成一个开磁路；

一个磁化线圈，在一个只形成所述第一铁心的一个闭磁路的部件的周围缠绕该线圈；

和一个感应线圈，它绕在所述的第二铁心上；

其特征在于，通过把一个交流电压加到所述磁化线圈上，来改变所述闭磁路的磁力线方向；并且通过由于所述闭磁路磁力线方向的改变而感应的所述开磁路磁力线的改变，来在所述感应线圈中用电磁感应产生电动势。

2.一种静态磁铁发电机，由下述部件组成： 至少一个永久磁铁；

一个第一铁心，由一种软磁性材料构成，它耦合所述永久磁铁的不同磁极，以形成一个闭磁路；

一个铁心延伸部件，它把所述第一铁心的任何两个部分在它们彼此靠近的方向加以延伸，并且用一种顺磁性材料来耦合它们，以形成一个开磁路；和

一个感应线圈，它绕在所述铁心延伸部件上；

其特征在于，通过把一个交流电压加到所述磁化线圈上，来改变所述闭磁路的磁力线方向；并且通过由于所述闭磁路磁力线方向的改变而感应的所述开磁路磁力线的改变，来在所述感应线圈中用电磁感应产生电动势。

3.一种静态磁铁发电机，由下述部件组成： 至少一个永久磁铁；

一个第一铁心，由一种软磁性材料构成，它耦合所述永久磁铁的不

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同磁极，以形成一个闭磁路；

一个第二铁心，由一种软磁性材料构成，它形成一个旁通闭磁路，用第一铁心如此耦合和安排该磁路，以致于它包括所述闭磁路的永久磁铁；

一个磁化线圈，在一个只形成所述第一铁心的一个闭磁路的部件的周围缠绕该线圈；和

一个感应线圈，在一个只形成所述第二铁心的一个闭磁路的部件的周围缠绕该线圈；

其特征在于，通过把一个交流电压加到所述磁化线圈上，来改变所述闭磁路的磁力线方向；并且通过由于所述闭磁路磁力线方向的改变而感应的所述旁通闭磁路磁力线的改变，来在所述感应线圈中用电磁感应产生电动势。

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说 明 书

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静态磁铁发电机

本发明涉及一种发电机，它靠改变穿过感应线圈的磁力线而引起的电磁感应来产生电动势。更详细地说，本发明涉及一种静态磁铁发电机，它在不转动电枢或电磁铁的情况下改变一些穿过感应线圈的磁铁。 目前实际使用的发电机被如此设计，以致于靠改变穿过感应线圈的磁力线而引起的电磁感应来产生电动势。以这种方式发电的发电机的应用范围广泛，从用于水电站、热电厂或核电厂的大型发电机到例如带有柴油机的小型发电机。

在全部上述类型的发电机中，其电枢和电磁铁都转动，以改变穿过感应线圈的磁力线，从而靠电磁感应而在感应线圈中产生电动势。例如，用下述机器的转矩来转动电枢和电磁铁：水电站的水轮机，热电厂和核电厂的汽轮机，小发电机的柴油机。

靠上述电磁感应产生电动势的发电机被如此设计，以致于不管发电机大小，都转动电枢和电磁铁，以改变穿过感应线圈的磁力线。这些发电机之缺点在于，所述电枢和电磁铁的转动会产生振动和噪声。 本发明之目的在于提供一种没有任何产生转矩的装置或其他活动部件的静态磁铁发电机，以消除振动和噪声，从而解决上述各种问题。 为了解决上述问题而作出如下所述的本发明。

本发明涉及的静态磁铁发电机由下列部件组成：至少一个永久磁铁；一个第一铁心，它由形成一个闭磁路的软磁性材料组成，闭磁路是通过耦合所述永久磁铁的不同磁极来形成的；一个第二铁心，它由形成一个开磁路的软磁性材料组成，开磁路是通过用一种顺磁性材料耦合到所述闭磁路来形成的；一个在只由所述第一铁心的闭磁路组成的一个部件周围绕成的磁化线圈；和一个在所述第二铁心周围绕成的感应线圈。本发明的要点在于靠电磁感应在所述感应线圈中产生电动势，其方法是：对所述的磁化线圈施加一个交流电压以改变所述闭合磁路的磁力线

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方向，和对由于所述闭磁路中磁力线方向变化而感应的所述开磁路的磁力线进行改变。

本发明涉及的静态磁铁发电机由下列部件组成：至少一个永久磁铁；一个第一铁心，它由形成一个闭磁路的软磁性材料组成，闭磁路是通过耦合所述永久磁铁的不同磁极来形成的；一个第二铁心，它由形成一个旁通闭磁路的软磁材料组成，旁通闭磁路是如此耦合和安装到第一铁心的，以致于它包括所述闭磁路的永久磁铁；一个磁化线圈，它绕在一个只由所述第一铁心的闭磁路组成的部件的周围；和一个感应线圈，它绕在一个只由所述第二铁心的闭磁路组成的部件周围。本发明之目的在于通过电磁感应在所述感应线圈中产生电动势，其方法是：把一个交流电流加到所述磁化线圈上而改变所述闭磁路的磁力线方向，和对由于所述闭磁路的磁力线方向变化而感应的所述旁通闭磁路的磁力线进行改变。

在上述结构中，本发明涉及的静态磁铁发电机由下列部件组成：一个第一铁心，它由一个永久磁铁和一个闭磁路组成；一个第二铁心，它由一个使用顺磁材料的开磁路组成；一个磁化线圈，它绕在一个只由第一铁心的闭磁路组成的部件周围，和一个感应线圈，它绕在第二磁路的周围。所述的发电机被如此设计，以致于通过用下述方法得到的电磁力而在感应线圈中产生电动势：把一个交流电压加到磁化线圈上而改变第一铁心的磁力线方向，和对由于第一铁心的磁力线方向的变化而感应的第二铁心的磁力线进行改变。

这就有可能在没有产生转矩的装置和其他活动部件的情况下改变穿过感应线圈的磁力线，并且通过电磁感应在感应线圈中产生电动势，从而能够在不产生振动或噪声的情况下发电，这种发电机还能够减小尺寸，且降低价格。

通过下面结合附图的描述，会清楚地看出本发明的其他特点和优点。

图1描述一种带有本发明所涉及开磁路的静态磁铁发电机的基本结构。

图2描述一种其方向与永久磁铁方向相反的磁力线通常是怎样在磁

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化线圈中产生的。

图3描述一种其方向与永久磁铁方向相反的磁力线通常是怎样从磁化线圈中消失的。

图4描述一种其方向与永久磁铁方向相同的磁力线通常是怎样在磁化线圈中产生的。

图5是一个本发明涉及的静态磁铁发电机的第一实施例。 图6是一个本发明涉及的静态磁铁发电机的第二实施例。 图7是一个本发明涉及的静态磁铁发电机的第三实施例。 图8是一个本发明涉及的静态磁铁发电机的第四实施例。 图9是一个带有一个开磁路的第五实施例。

图10是一种带有一个本发明涉及的闭磁路的静态磁铁发电机的基本结构。

图11是一个带有一个本发明所涉及闭磁路的静态磁铁发电机的第一实施例。

下面一边参考附图，一边描述本发明的实施例。

图1描述一种带有一个永久磁铁的静态磁铁发电机的基本结构。图2、3和4描述图1所示静态磁铁发电机是怎样发电的。如诸图所示，形成一个用于耦合永久磁铁1的第一铁心2，并且永久磁铁1的不同磁极以环形方式形成一个闭磁路。然后，这个闭磁路用10μm到5mm厚的顺磁性材料安装一个第二铁心3上。这就导致形成一个开磁路，它由一个永久磁铁1、一部分第一铁心2、一个顺磁性材料、和一个第二铁心3组成。用一个磁化线圈绕在这个只由第一铁心2的闭磁路组成的部分上。然后，用一个感应线圈5绕在第二铁心3上，以便用电磁感应产生电动势。

在此，永久磁铁1是这样一种磁铁：它具有高的剩余磁通密度，大的矫顽力，和大的最大能量乘积，以便获得较高的发电效率，在此磁铁所用的典型材料有钕铁硼化物(Nd2Fe14B)，钐钴化物(Sm2Co17)，或钐铁氮化物(Sm2Fe17N2)。

第一铁心2与第二铁心3皆由软磁性材料制成，它具有高的磁导率(具有高的初始、最大和其他磁导率水平)，高的剩余磁通密度和饱和

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磁化率，和小的矫顽力，从而可有效地利用磁路的磁通量，供发电之用。其实例包括以坡莫合金为基质的合金。

可用的顺磁性材料是那些其比磁导率接近真空比磁导率的材料，例如空气，铜和铝等。当用空气作顺磁材料时，即，当在第一铁心2与第二铁心3之间固定一个间隙G时，就用一种固体顺磁材料夹持第二铁心3。诸图表示一些具有间隙G，而没有用于夹持第二铁心3的固体顺磁材料的情况下的实施例。

下面描述上述结构的静态磁铁发电机是怎样发电的。 首先，当不把电压加到静态磁铁发电机的磁化线圈4上时，就在从永久磁铁1的N极到S极的方向在第一铁心2中形成一个第一磁力线11。在这种状态下，在通过间隙G耦合的第二铁心3中不形成磁力线。 可用下述的三种方式把一个电压加到磁化线圈4上。

在第一种电压施加方式中，如图2所示，在一个电压排斥由永久磁铁1所产生的第一铁心2的第一磁力线11的方向，把一个DC电压施加到磁化线圈4上；并且反过来也是如此，即，用这样的方式；在与第一磁力线11相反的方向产生第二磁力线12。结果，第一磁力线11排斥第二磁力线12，并且反过来也是如此，从而更容易从闭磁路中泄放磁力线。更容易从闭磁路中泄放的第一磁力线11和第二磁力线12跳过间隙G，并进入第二铁心3，使第二铁心3中感应一个第三磁力线13。更为重要的是，这个第三磁力线13的感应会改变穿过感应线圈5的磁力线，使感应线圈5中产生电动势V1，从而发电。

然后，去掉加到磁化线圈4上的DC电压，可以激励第一铁心2，使它回到一种只形成第一磁力线11的状态，如图1所示。在此时，第二铁心3具有一个其方向与第三磁力线13方向相反的磁力线，即图3所示的第四磁力线14，以抑制第三磁力线13。然后，所述第四磁力线14的感应可改变穿过感应线圈5的磁力线，使感应线圈5中产生电动势V2，从而发电。

使用一个本发明涉及的静态磁铁发电机，一个把DC电压加到磁化线圈4上的DC电源，和一个接通和断开该DC电源的开关电路，能够使这种第一电压施加方式的发电变成现实。如果可利用一种半导体开关器

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件，例如闸流晶体管，就能够组成无触点的开关电路。

第二种电压施加方式在下列方面与第一种电压施加方式相同：通过把一个DC电压施加到磁化线圈4上而在第二铁心3中感应第三磁力线13，以产生一个其方向与第一磁力线11方向相反的第二磁力线12；并且感应第三磁力线13，以便在感应线圈5中产生电动势V1，从而发电。 然后改变加到磁化线圈4上的DC电压的极性，可以在第一铁心2中产生由永久磁铁1引起的第一磁力线11，以及由磁化线圈4引起的其方向与第一磁力线方向相同的第五磁力线15。在此，给第一磁力线11提供第五磁力线15，从而如图4所示，给第二铁心3提供第四磁力线14，以及其方向与第四磁力线14方向相同的第六磁力线16。此外，感应第四磁力线14和第六磁力线16，可以改变穿过感应线圈5的磁力线，从而在旋转线圈中产生一个大于电动势V2的电动势V3，以便发电。 这个第二种电压施加方式需要一个改变DC电压极性的极性开关电路，以取代第一种电压施加方式中对加到磁化线圈4上的DC电压进行接通和断开的开关电路。可由一个类似于第一种电压施加方式中开关电路的半导体开关器件来构成这种极性开关电路。

在第三种电压施加方式中，把一个AC电压加到磁化线圈4上，以取代在采用极性变换的第二种电压施加方式中把一个DC电压加到磁化线圈4上。通过把AC电压加到磁化线圈4上而产生的磁力线，变成一种交变磁力线，它在图2所示的第二磁力线12与图4所示的第五磁力线15之间交替地变化。这时，在第二铁心3中感应的磁力线是：在产生第二磁力线12时为图2所示的第三磁力线13；而在产生第五磁力线15时为试图抑制图4中第六磁力线16和第三磁力线13的第四磁力线14。即，在第二铁心3中感应的磁力线自然也变成一种交变的磁力线。 在这个第三种电压施加方式的发电中，由于把一个AC电压加到磁化线圈4上，所以不需要使用开关电路或极性开关电路，而在第一和第二种电压施加方式中是需要这种电路的，从而装置得到简化。此外，在第一铁心2和第二铁心3中感应的磁力线可变成一种由AC电压感应的交变磁力线，从而发电机还起一个变压器的作用，在其第一铁心2与第二铁心3之间具有一个间隙G。因此，有可能在感应线圈5中进一步提高

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由电磁感应产生的电动势V。

下面描述本发明所涉及的静态磁铁发电机的发电效率。如果去掉永久磁铁1并且存在一个间隙G，则可把静态磁铁发电机看成是变压器。 一个变压器必然伴有铁心的涡流损耗Wv和磁磁滞损耗Wh，和由于线圈电阻引起的损耗Wr。这些因素的关系式可写成下述公式。 总损耗W1＝Wv+Wh+Wr……………………………(1)

若令输入为Win，和输出为Wo，且Win变成等于总损耗，则变压器的换能效率为

Eff＝Wo/Win＝Wo/(Wv+Wh+Wr)＜1………………(2)

实际上，在图1中，由第一铁心2组成的闭磁路包含一个永久磁铁1。因此，这个永久磁铁1的磁力线有助于发电。

因此，在图1中，若令输入为Win2，且输出为Wo2，则 Wo2＝Wp+αWin2…………………………………(3)

式中，Wp表示由有助于发电的永久磁铁1磁力线产生的功率，且α表示一种当把该装置看成是一个带有间隙G的变压器时得到的换能效率。

因此，发电效率为

Eff＝Wo2/Win2＝(Wp+αWin2)/Win2＝(Wp/Win2)+α……(4) 在此，因为α＜1，故若Wp/Win2＞1，即，若由有助于发电的永久磁铁1磁力线产生的功率大于供给磁化线圈4的发电机功率，则发电效率变成不小于1，从而该装置显示它作为发电机的性能。

这样，本发明人按如下所述来检验：多少永久磁铁1的磁力线才有助于感应图2中所示的第三磁力线13。首先，本发明人提供一些具有图1中所示的基本结构的静态磁铁发电机，其中一个具有永久磁铁1，另一个没有永久磁铁1。然后，本发明人比较一些功率电平，它们是感应出一些其磁力线密度等于各实施例的第二铁心3的磁力线密度的磁力线所需的功率电平，即，供给磁化线圈4的功率电平。结果，一个带有永久磁铁1的实施例只需要很低的功率电平供给磁化线圈4。曾观察到：所需的功率电平不超过一个没有永久磁铁1的实施例的功率电平的1/40，具体数值取决于试验条件。

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因此，在本发明涉及的一种静态磁铁发电机中，可使Win2明显小于Wp，从而本发明人认为有可能使Wp/Win2＞1。

下面，作为第一实施例，根据图5描述一个由两个基本结构静态磁铁发电机组成的静态磁铁发电机系统。

在图5(A)中，在一个静态磁铁发电机内，由两个永久磁铁1和两个第一铁心2组成一个闭磁路，它被如此形成，以致于把一个永久磁铁1的不同磁极以环形方式耦合于另一个永久磁铁1。然后这个闭磁路通过一个间隙G安装一个第二铁心3。这可形成一个开磁路，它由一个永久磁铁1，一部分第一铁心2，一个顺磁材料，和一个第二铁心3组成。

可用两种方式组成这个开磁路。在一种结构中，如图5(A)所示，可用两个永久磁铁1和两个第二铁心3构成一个开磁路。在另一种结构中，如图5(B)所示，可由一个永久磁铁1构成一个开磁路，且由一个第一铁心2构成另一个开磁路。在图5(A)和图5(B)中的静态磁铁发电机在效果方面没有明显差别，但它们形成上述开磁路的结构是不同的。

用一个磁化线圈4绕在一个只由各第一铁心2的闭磁路形成的部分上。然后，用一个由电磁感产生电动势的感应线圈5绕在各个第二铁心3上。

这种静态磁铁发电机在不把电压加到磁化线圈4的情况下，在从永久磁铁1的N磁极到S磁极的方向，在第一铁心2中形成一个第一磁力线11。此外，这种发电机是把电压加到磁化线圈4上，并且在感应线圈5中用电磁感应产生电动势去发电的；它的作用类似于基本结构的静态磁铁发电机的作用。

带有两个永久磁铁1的上述静态磁铁发电机具有一些充分平衡的磁路。因为能够有效地利用永久磁铁1的磁力线，故这个实施例可达到比基本结构静态磁铁发电机高的发电效率。

第一实施例是一种由两个基本结构静态磁铁发电机构成的静态磁铁发电机系统。同样，能够用组合三个或多个基本结色静态磁铁发电机的方法来构成一个静态磁铁发电机系统。在这种情况下，类似于第一实施

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例，能够用两种方式形成一个开磁路。其中一种结构是通过把全部永久磁铁1都耦合于一个第二铁心3而形成一个开磁路。另一种结构是通过把每个永久磁铁1的N磁极都用第二铁心3耦合于其S极，而形成多个和永久磁铁一样多的开磁路。

下面，在图6中描述本发明的第二实施例，在图7中描述第三实施例，和在图8中描述第四实施例。在这些实施例中，都把电压加到磁化线圈4上，并且都在感应线圈5中用电磁感应方法产生电动势，其作用皆类似于基本结构的静态磁铁发电机的作用。

图6和7中所示的第二和第三实施例具有与第一实施例相同的结构，但各实施例中的第一铁心2具有完全不同的形状。在第二实施例中，同第二铁心3的端部对着的部分向第二铁心3的端部伸出。这样，由于在第一铁心2中所产生的第一磁力线11和第二磁力线12的排斥而产生的泄放磁力线，会更容易跳过间隙G而进入第二铁心3。

第三实施例被如此设计，以致于耦合第二铁芯3的部分是第一铁心2中的这种部分：它最靠近永久磁铁1，并且尽量缩短开磁路，甚至进一步使两个永久磁铁1彼此靠近。因为磁力线倾向于以最短的距离形成一个闭磁路，所以由于在第一铁心2中所产生第一磁力线17和第二磁力线12的排斥而产生的泄放磁力线，会更容易跳过间隙G而进入第二铁心3。

图8所示的第四实施例和基本结构的静态磁铁发电机不同，是由一个第一回路和一个第二回路组成的。在第一回路中，诸永久磁铁1和多个闭磁路一起，在磁力线按照相同方向来定向的情况下，以圆形排列；在第二回路中，用一个磁化线圈4绕在它周围，并且把它装在第一回路内。此外，把第一回路耦合到第二回路上的第一铁心2的部分是向着彼此穿过一个指定间隙的方向而伸出的。这第一铁心2伸出的部分皆通过间隙G而共同耦合于第二铁心3，以形成一个开磁路。这可增强永久磁铁1的磁力线，且使之更容易得到那种由于在第一铁心2中所产生第一磁力线11和第二磁力线12的排斥而产生的泄放磁力线，以跳过间隙G而进入第二铁心3。

下面介绍本发明的第五实施例。

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迄今，已根据在第二铁心3两端用顺磁性材料把一个开磁路连接于第一铁心2的一些实施例，描述了本发明所涉及的静态磁铁发电机的结构。然而本发明不限于这些实施例。即，如图9所示，可通过把第一铁心2的任何两个部分在它们彼此接近的方向加以延伸，来配备开磁路；把这两个部分规定为铁心延伸部分6，并用顺磁性材料来耦合这些铁心延伸部分6。本实施例可用于上述全部实施例。 下面介绍本发明的第六实施例。

如图10所示，由一个永久磁铁1和一个第一铁心2组成一个闭磁路，它被如此形成，以致于以一种环形方式耦合所述永久磁铁1的不同磁极。然后给这个闭磁路安装一个第二铁心3，使它跟永久磁铁1在磁性上平行，从而由一个永久磁铁1，一部分第一铁心2和一个第二铁心3构成一个旁通闭磁路。

用一个磁化线圈4绕在一个只由第一铁心2的闭磁路组成的部分上。然后用一个感应线圈5绕在第二铁心3上，以便用电磁感应产生电动势。

下面描述上述结构发电的静态磁铁发电机的动作。

首先，当不把电压加到静态磁铁发电机的磁化线圈4上时，在从永久磁铁1的N磁极到S磁极的方向，第一铁心2形成一个第一磁力线11。在这种状态下，还在第二铁心3中产生一个类似于第一铁心2磁力线的磁力线。

下面根据图11描述第七实施例，其中用两个基本结构的静态磁铁发电机组成一个静态磁铁发电机系统，并且永久磁铁的相对位置有所改变。

在一个静态磁铁发电机中，由两个永久磁铁1和两个第一铁心2构成一个闭磁路，它被设计成以环形方式把一个永久磁铁1的不同磁极耦合于另一永久磁铁。然后这个闭磁路安装一个第二铁心3。这就导致形成一个旁通闭磁路，它由一个永久磁铁1，一部分第一铁心2，一个顺磁性材料和一个第二铁心3组成。

用磁化线圈4绕在那些只形成各第一铁心2的闭磁路的部分上。然后用感应线圈5绕在各个第二铁心3上，以便用电磁感应产生电动势。

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在这种静态磁铁发电机中，在不把电压加到磁化线圈4的情况下，在从永久磁铁1的N磁极到S磁极的方向，在第一铁心2中形成第一磁力线11。把电压加到磁化线圈4上，并且在感应线圈5中用电磁感应产生发电用的电动势，这些动作类似于基本结构的静态磁铁发电机的动作。

在装有两个永久磁铁1的上述静态磁铁发电机中，以充分平衡的方式安排诸磁路。这就有可能有效地利用永久磁铁1的磁力线，从而其发电效率高于基本结构的静态磁铁发电机的发电效率。

迄今，已用最有利的实施例颇为详细地描述了本发明。因为显然，可实现种类繁多的实施例而不背离本发明的原理和范围，故本发明除了所附权利要求书中所述的之外，不会限于任何特殊的实施例。

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说 明 书 附 图

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图4

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图5

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